高端PCB設計相關知識整理

PCB的設計佈局佈線其實是一門很複雜並且大部分靠經驗來作的學問，不少東西也有點玄乎，但有不少經驗性的結論和公式仍是能夠參考的
保證原創，一天不必定寫的完
CH.1 更加嚴重的電磁干擾
首先基本上微電子發展趨勢永遠是集成化程度愈來愈高，不可避免帶來元器件密度很大，而前十幾年出現的SMT（Surface Mounted Technology）和COB（Chip on Board）技術和SMC/SMD/裸片的出現，給了繼續提升集成度的可能。

一個典型的貼片機

SMD熱敏電阻，體積是普通電阻的十幾分之一
但隨之而來的，就是比普通集成電路更爲嚴重的元器件之間相互的電磁干擾
固然實際中不只如此，紅外爐再流焊是一種經常使用的SMT焊接技術，但元器件的佈局又會影響焊接質量，加之射頻電路的EMC又要求每一個模塊都儘可能不產生電磁輻射，而且具備至關的抗EMI能力。
並且根據經驗，射頻電路的性能還會與CPU處理板相互影響，所以在PCB設計的時候，會更加棘手。
但通常來講，設計的時候都有如下要求
·全部的元器件儘量同一方向排列，避免互相干擾，同時要注意PCB進入熔錫系統的方向，，以避免出現虛焊漏焊
·元器件至少要保留必定的空間，典型值爲0.5mm
·一般來講，雙面板中SMD/SMC元件和分立元件要分兩面放置
固然這僅僅是很基礎的一些方面，一般來講，強電信號和弱電信號必須分開，模擬和數字信號也要分開。
還有一個基本常識是要求完成同一功能的電路儘量安排在一塊兒，至少不能離的很遠，以減少信號環路面積，防止劣化。
對於有些對電磁干擾敏感的元件（好比傳感器）要按照敏感程度來區分，儘可能避免板上干擾源
PCB來自motorola公司的MOTO X

來自海力士的內存，注意SMD電容/電阻的佈局和方向。

來自高通公司的 WCN3680 802.11ac Combo Wi-Fi/Bluetooth/FM芯片，會產生較大電磁泄露，所以設計人員給予單獨的屏蔽罩，而且單獨放置在PCB的一邊，進一步減少對於其餘電磁敏感元件的影響。

帶有德州儀器標誌的是C55x系列DSP芯片
棕紅色是Codec，音頻編解碼器
紅色NXP TFA9890 D類音頻放大器
以後用一個屏蔽罩作EMI屏蔽。
這幾個部件功能都是接近，都是負責音頻處理，所謂的信號環路最小原則，與射頻部分和CPU模塊的距離也明顯更遠。
摩托羅拉和諾基亞是少數幾個能設計出教科書式的PCB設計廠家

更爲普遍來講，屏蔽罩是一個麥克斯韋籠，這是最爲簡單也是最爲有效的一種方法，缺點是會增長成本，不只僅是物料，代工廠的收費是以加工時間爲度量，加工時間長則收費高，所以也有部分廠家不肯採用。
若是在部分狀況下，不可能使用屏蔽罩，也有一些方法來解決，最爲常見的是增長濾波/抗干擾電路，而且增強對於電源的去耦，優化地線電源線的佈局等，但這種方法通常來講，會增長電路的複雜程度，並帶來一般意料不到的問題。
一般來講，PCB的設計第一步是根據實際狀況選擇PCB的形狀，下一步就是層（layer）的設置，層設置不合理的結果是毀滅性的，一般PCB的層又分爲電源層、底線層和信號層，而層的選擇中，層的相對位置、地平面/電源的分割、PCB的佈線、接口電路的處理又有這很是大影響。
層的選擇第一步是層數，層數的選擇不宜太多也不宜太少，太多則信號線過於密集，成本過高；太少則不能達到設計要求，對於電磁兼容的要求，一般也是比較好的方式是經過適當的增長地平面來解決。
對於電源層通常須要解決多種電源/電源的供電問題，須要內電層分割。
信號層則比較複雜，（走線問題單獨介紹）首先就是走線密度，太密則相互串擾，太疏則信號線不夠，而且重要信號譬如時鐘和復位信號須要單獨屏蔽和隔離。
在考慮過層數量問題孩子後，就是層排列，也有部分基礎原則：
·電源平面與相應地平面相鄰：因爲電源和地自己存在自阻抗，能夠造成耦合電容，這個時候在PCB板上設置退耦電容，能夠達到去耦的效果，下降電源阻抗，至關於濾波。
·相鄰層的信號不要跨分割區，就是信號環路最小原則。
·關鍵信號（高頻高速或者時鐘）要於地平面相鄰，可減小電磁泄露，也至關於地給信號作屏蔽。
比較常見的6層PCB佈局方案：

CH.2 愈來愈難的散熱設計
對於常規的PCB來講，通常來講散熱遵循常規是熱點分散原則，即「發熱最大的器件放置在最佳散熱位置」，而且減少元件與板之間的熱阻。但這種方法近年來卻逐漸表現疲軟，尤爲是在手機上，歸根結底，雖然工藝更好，算法更好，平臺功耗只升不降，因此也逐漸有其餘方法來解決。
通常來講，在設計散熱的時候的大體思路是估計發熱器件的功耗，估算其須要的面積，在這個面積中不能放置其餘發熱元件，隨後纔是設計散熱。
在手機中，發熱器件除了CPU、RAM以外，大部分都是功放、收發器、基帶處理器、電源管理芯片、電壓芯片以及DC-DC電感，其中功放、CPU、基帶處理器都是發熱大戶。
在這裏首先要知道的一個經驗值是天然對流冷去的熱流密度爲0.8mW/mm²，即對於芯片來講，每平方毫米單純靠空氣對流能夠對應0.8mW所帶來的熱量。
以這個值作參考，計算大概須要的面積（芯片功耗可在datasheet中查找，廠家是必定會給的）。
隨後就是放置元件，通常來講，發熱旗艦不該該放置在PCB的邊緣和角落放置，更不應在其背面放置發熱器件。
Samsung Galaxy SII i9100

不太成功的設計，發熱器件過於集中

LG E960 Nexus 4
應該是最先的「中框散熱+三層」式設計，現在這個設計被比較普遍的採用，尤爲是發熱較大的設備。
這個設計在vivo xplay、MX三、米3都能看出一點影子來

CH.3 仍是要靠人的走線

PCB的走線若是說全讓人來作，幾乎是不可能的事情。
所幸如今EDA和CAD的功能愈加強大，但通常來講，計算機設計出來走線，一般只是「能用」而已，與「優秀」還有必定的距離。
一般而言，走線的最基本要求是「不相容信號儘量相互遠離」的原則，即數字模擬、高速低速、強電弱電、高壓低壓之間儘量遠離，同時「避免長距離平行走線」
，以防耦合。
對於信號線，通常不容許出現分支，這樣一般會破壞導線特性阻抗的一致性，而且在分叉點產生諧波和發射（相似於河流中的漩渦），使得信號輻射出去，帶來更多問題。
另外一個更加基本的原則是「135°」原則，即信號線在走線的時候拐角不能採用90°直角轉彎，這樣會產生寄生電容，對於高速高頻電路和數字電路影響尤其嚴重，會減緩上升時間、形成信號的反射、產生EMI，因此基本看任何一個PCB，走線都大概如此：

（圖中另外一種常見走線方式是蛇形走線，這種走線做用是用來調節延時，知足系統時序設計要求，在數字電路中很是常見，但沒有濾波或抗干擾的能力，只可能下降信號質量，所以近年多采用螺旋形走線）

螺旋形的走線是上圖右側

 

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